تحلية شمسية حرارية بدون إضافات وبدون تصريف مالح مع استخراج كامل للمعادن من مياه المحيط

تحويل ضوء الشمس ومياه البحر إلى ماء شرب

تواجه العديد من المجتمعات الساحلية معضلة: فهي محاطة بمياه البحر لكنها تفتقر إلى مياه شرب آمنة. تصف هذه الدراسة طريقة جديدة لتحويل مياه المحيط إلى ماء عذب باستخدام ضوء الشمس فقط، مع التقاط المعادن المفيدة من البحر في الوقت نفسه. تتجنب الطريقة المياه المالحة النفاياتية التي تنتجها كثير من محطات التحلية الحالية، مستهدفة مسارًا أنظف وأكثر كفاءة لتأمين المياه والموارد القيمة.

لماذا التحلية الحالية غير كافية

تستخدم محطات التحلية التقليدية، مثل تلك القائمة على التناضح العكسي، طاقة كبيرة وتطلق كميات كبيرة من الميلوحات المركزة المختلطة بالمواد الكيميائية إلى البيئة. يمكن أن تضر هذه الملوحات بالكائنات البحرية والأنظمة الساحلية وحتى بالمياه الجوفية. وفي المقابل، تحتوي مياه البحر على كميات هائلة من المعادن المذابة، بما في ذلك بعض العناصر النادرة والقيمة على اليابسة. من الناحية المثالية، سيقدم نظام واحد ماءً عذبًا، ويحوّل الأملاح المذابة إلى شكل صلب، ويفعل ذلك دون تصريف نفايات سائلة.

لوح معدني تعمل عليه الشمس يمتص من البحر

لمواجهة هذا التحدي، بنى الباحثون لوحًا معدنيًا خاصًا يمتص مياه البحر ويحبس ضوء الشمس. استخدموا طريقة معالجة ليزر سريعة لنقش سطح ألمنيوم رقيق إلى سلاسل من الأخاديد الصغيرة المغطاة ببنى أصغر حتى. تجعل هذه المعالجة المعدن أسودًا جدًا وعاكسًا قليلًا، فحوالي كل ضوء الشمس الساقط يتحول إلى حرارة. كما تجعل السطح فائق السحب الشعيري، بمعنى أن فيلمًا رقيقًا من الماء يمكنه التسلق صعودًا عبر الأخاديد مدفوعًا بقوى الشد الشعيري. عندما تسلط الشمس ضوءها على اللوح، يسخن الفيلم الرقيق ويتبخر الماء بسرعة إلى بخار، تاركًا الأملاح المذابة على السطح.

إبعاد الملح عن منطقة العمل

تتسبب تراكمات الملح عادة في خنق المبخرات الشمسية عبر سد مجاري المياه وعكس الضوء. التقدّم الرئيسي في هذا العمل هو أن اللوح المشكّل بالليزر يدفَع تلقائيًا بلورات الملح المتكونة بعيدًا عن المنطقة المركزية العاملة إلى مناطق جانبية يمكن جمعها فيها. تُظهر النتائج أن الأخاديد السطحية الأعمق والأعرض توفر تدفقًا قويًا من ماء البحر النسبي الطازج الذي يصل إلى جبهة تكوّن الملح. تكشف الملاحظات المجهرية أن التبخر يركّز الملح أولاً عند الحد الخارجي للماء، على نحو مشابه لتكوّن حلقة القهوة عندما يجف قطرة. ثم يتولى عملية تُدعى زحف الملح: تتحرك أفلام رقيقة من الماء المالح عبر قشرة الملح المسامية، تذيبها محليًا وتعيد ترسيبها نحو الخارج. تتكرر هذه الخطوة فتبعد حافة الملح عن المنطقة الفعّالة، التي تبقى نظيفة وكفؤة.

ماء عذب ومعادن صلبة دون ملوحة نفاياتية

في اختبارات داخلية محكومة تحت ضوء شمس معياري، يصل تصميم اللوح المحسّن إلى معدل تبخر يقارب 1.76 كيلوجرامًا من الماء لكل متر مربع في الساعة، مع انتقال نحو ثلاثة أرباع طاقة الشمس الواردة إلى تبخير الماء. وفي الوقت نفسه، يظهر أن معظم أملاح الماء المتبخّر تتشكّل كبلورات صلبة على مناطق اللوح السلبية، فلا يعود منها تقريبًا شيء إلى الماء تحتها. على مدى تشغيل مستمر لمدة أسبوع، تبقى كل من إنتاجية الماء وجمع الملح ثابتتين، بينما تبقى ملوحة ماء البحر المتبقي شبه ثابتة، مما يبيّن أن الملوحة السائلة النفاياتية لا تتراكم. تعطي اختبارات بمياه بحرية من المحيط الأطلسي والهادئ والهندي أداءً مشابهًا، والمياه المكثفة تفي بمعايير مياه الشرب المعتمدة.

استخراج البحر أثناء جعله صالحًا للشرب

تحتوي المواد الصلبة المجمعة على الأملاح الشائعة المتوقعة مثل الصوديوم والمغنيسيوم والبوتاسيوم والكالسيوم، وكذلك على آثار لعناصر أكثر قيمة مثل الذهب والسيزيوم والبروم واليورانيوم. يقترح المؤلفون أنه بإضافة طلاءات انتقائية لأجزاء من اللوح، يمكن ضبط النظام لالتقاط معادن محددة مثل الليثيوم مع الاستمرار في إنتاج ماء عذب. وبما أن اللوح قادر على سحب الماء صعودًا، يمكن إمالته ليتبع الشمس عبر السماء، مما يحسّن النتاج اليومي. ببساطة، يشير هذا العمل إلى طريقة عملية لتحويل ضوء الشمس ومياه البحر إلى ماء قابل للشرب ومعادن قابلة للاستخراج، مع تجنّب المخاطر البيئية الناتجة عن تصريف الملوحة.

الاستشهاد: Tang, L., Singh, S.C., Wei, R. et al. Additive-free and brine-discharge-free solar-thermal desalination with simultaneous complete mineral mining from ocean water. Light Sci Appl 15, 246 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02315-4

الكلمات المفتاحية: التحلية الشمسية, مياه البحر, صفر تصريف سائل, استخراج المعادن, تنقية المياه